It has been known for nearly 100 years that pressure unfolds proteins, yet the physical basis of this effect is not understood. Unfolding by pressure implies that the molar volume of the unfolded state of a protein is smaller than that of the folded state. This decrease in volume has been proposed to arise from differences between the density of bulk water and water associated with the protein, from pressure-dependent changes in the structure of bulk water, from the loss of internal cavities in the folded states of proteins, or from some combination of these three factors. Here, using 10 cavity-containing variants of staphylococcal nuclease, we demonstrate that pressure unfolds proteins primarily as a result of cavities that are present in the folded state and absent in the unfolded one. High-pressure NMR spectroscopy and simulations constrained by the NMR data were used to describe structural and energetic details of the folding landscape of staphylococcal nuclease that are usually inaccessible with existing experimental approaches using harsher denaturants. Besides solving a 100-year-old conundrum concerning the detailed structural origins of pressure unfolding of proteins, these studies illustrate the promise of pressure perturbation as a unique tool for examining the roles of packing, conformational fluctuations, and water penetration as determinants of solution properties of proteins, and for detecting folding intermediates and other structural details of protein-folding landscapes that are invisible to standard experimental approaches.

The time required to fold proteins usually increases significantly under conditions of high pressure. Taking advantage of this general property of proteins, we combined P-jump experiments with NMR spectroscopy to examine in detail the folding reaction of staphylococcal nuclease (SNase) and of some of its cavity-containing variants. The nearly 100 observables that could be measured simultaneously collectively describe the kinetics of folding as a function of pressure and denaturant concentration with exquisite site-specific resolution. SNase variants with cavities in the central core of the protein exhibit a highly heterogeneous transition-state ensemble (TSE) with a smaller solvent-excluded void volume than the TSE of the parent SNase. This heterogeneous TSE experiences Hammond behavior, becoming more native-like (higher molar volume) with increasing denaturant concentration. In contrast, the TSE of the L125A variant, which has a cavity at the secondary core, is only slightly different from that of the parent SNase. Because pressure acts mainly to eliminate solvent-excluded voids, which are heterogeneously distributed throughout structures, it perturbs the protein more selectively than chemical denaturants, thereby facilitating the characterization of intermediates and the consequences of packing on folding mechanisms. Besides demonstrating how internal cavities can affect the routes and rates of folding of a protein, this study illustrates how the combination of P-jump and NMR spectroscopy can yield detailed mechanistic insight into protein folding reactions with exquisite site-specific temporal information.

The folding of staphylococcal nuclease (SNase) is known to proceed via a major intermediate in which the central OB subdomain is folded and the C-terminal helical subdomain is disordered. To identify the structural and energetic determinants of this folding free energy landscape, we have examined in detail, using high-pressure NMR, the consequences of cavity creating mutations in each of the two subdomains of an ultrastable SNase, Δ+PHS. The stabilizing mutations of Δ+PHS enhanced the population of the major folding intermediate. Cavity creation in two different regions of the Δ+PHS reference protein, despite equivalent effects on global stability, had very distinct consequences on the complexity of the folding free energy landscape. The L125A substitution in the C-terminal helix of Δ+PHS slightly suppressed the major intermediate and promoted an additional excited state involving disorder in the N-terminus, but otherwise decreased landscape heterogeneity with respect to the Δ+PHS background protein. The I92A substitution, located in the hydrophobic OB-fold core, had a much more profound effect, resulting in a significant increase in the number of intermediate states and implicating the entire protein structure. Denaturant (GuHCl) had very subtle and specific effects on the landscape, suppressing some states and favoring others, depending upon the mutational context. These results demonstrate that disrupting interactions in a region of the protein with highly cooperative, unfrustrated folding has very profound effects on the roughness of the folding landscape, whereas the effects are less pronounced for an energetically equivalent substitution in an already frustrated region.

The effects of cavity-creating mutations on the structural flexibility, local and global stability, and dynamics of the folded state of staphylococcal nuclease (SNase) were examined with NMR spectroscopy, MD simulations, H/D exchange, and pressure perturbation. Effects on global thermodynamic stability correlated well with the number of heavy atoms in the vicinity of the mutated residue. Variants with substitutions in the C-terminal domain and the interface between α and β subdomains showed large amide chemical shift variations relative to the parent protein, moderate, widespread, and compensatory perturbations of the H/D protection factors and increased local dynamics on a nanosecond time scale. The pressure sensitivity of the folded states of these variants was similar to that of the parent protein. Such observations point to the capacity of the folded proteins to adjust to packing defects in these regions. In contrast, cavity creation in the β-barrel subdomain led to minimal perturbation of the structure of the folded state, However, significant pressure dependence of the native state amide resonances, along with strong effects on native state H/D exchange are consistent with increased probability of population of excited state(s) for these variants. Such contrasted responses to the creation of cavities could not be anticipated from global thermodynamic stability or crystal structures; they depend on the local structural and energetic context of the substitutions.

The magnitude and sign of the volume change upon protein unfolding are strongly dependent on temperature. This temperature dependence reflects differences in the thermal expansivity of the folded and unfolded states. The factors that determine protein molar expansivities and the large differences in thermal expansivity for proteins of similar molar volume are not well understood. Model compound studies have suggested that a major contribution is made by differences in the molar volume of water molecules as they transfer from the protein surface to the bulk upon heating. The expansion of internal solvent-excluded voids upon heating is another possible contributing factor. Here, the contribution from hydration density to the molar thermal expansivity of a protein was examined by comparing bovine pancreatic trypsin inhibitor and variants with alanine substitutions at or near the protein-water interface. Variants of two of these proteins with an additional mutation that unfolded them under native conditions were also examined. A modest decrease in thermal expansivity was observed in both the folded and unfolded states for the alanine variants compared with the parent protein, revealing that large changes can be made to the external polarity of a protein without causing large ensuing changes in thermal expansivity. This modest effect is not surprising, given the small molar volume of the alanine residue. Contributions of the expansion of the internal void volume were probed by measuring the thermal expansion for cavity-containing variants of a highly stable form of staphylococcal nuclease. Significantly larger (2-3-fold) molar expansivities were found for these cavity-containing proteins relative to the reference protein. Taken together, these results suggest that a key determinant of the thermal expansivities of folded proteins lies in the expansion of internal solvent-excluded voids.

The way in which the network of intramolecular interactions determines the cooperative folding and conformational dynamics of a protein remains poorly understood. High-pressure NMR spectroscopy is uniquely suited to examine this problem because it combines the site-specific resolution of the NMR experiments with the local character of pressure perturbations. Here we report on the temperature dependence of the site-specific volumetric properties of various forms of staphylococcal nuclease (SNase), including three variants with engineered internal cavities, as measured with high-pressure NMR spectroscopy. The strong temperature dependence of pressure-induced unfolding arises from poorly understood differences in thermal expansion between the folded and unfolded states. A significant inverse correlation was observed between the global thermal expansion of the folded proteins and the number of strong intramolecular hydrogen bonds, as determined by the temperature coefficient of the backbone amide chemical shifts. Comparison of the identity of these strong H-bonds with the co-evolution of pairs of residues in the SNase protein family suggests that the architecture of the interactions detected in the NMR experiments could be linked to a functional aspect of the protein. Moreover, the temperature dependence of the residue-specific volume changes of unfolding yielded residue-specific differences in expansivity and revealed how mutations impact intramolecular interaction patterns. These results show that intramolecular interactions in the folded states of proteins impose constraints against thermal expansion and that, hence, knowledge of site-specific thermal expansivity offers insight into the patterns of strong intramolecular interactions and other local determinants of protein stability, cooperativity, and potentially also of function.